专利名称：叉指型、全惠斯通电桥流量传感器变换器的制作方法
叉指型、全惠斯通电桥流量传麟变换器技术领域实施例通常涉及传感，及其部件。实施例也涉及流量传感器。实施例另 外涉及叉指型、全惠斯通电桥流量传 1变换器。
背景技术：
传感器被用于各种传感应用中，诸如用于检测和减量化材料的成分、检 测和减量化多种物质中特定物质的存在、以及检测和减量化物质的质量流率。 工业、商业、医药和汽车工业特别是需要多种方式来量化气态和液态的质量流 率的量。例如，在医药业，通常采用气流传SI来监控和/或控制患者的呼吸。 这样的两个例子包括睡眠呼吸暂停，和氧气维持，。类似地，在M计算 机冷却装置中通常采用气流传感器来检测局部气流的存在以及局部气箭逆入冷 却装置、通过冷却装置和环绕着)^卩装置的数量。在过去，质量流传感器已利用一个"上游"热敏电阻器和一个"下游" 热敏电阻器构成，其中"上游"和"下游" 一般 ^质量流的方向。微芯片环 境中的质量流传麟的一铺步(即"惠斯通电桥"电路)通常配置有外部(即 位于芯片之外)的电阻器。通过实现全惠斯通电桥可以改善这种旧有的结构， 该全惠斯通电桥在传感芯片上总共有四个均为热敏电阻器的电阻器，以考虑到 更大的信噪比和对环境温度噪声的更好的抗干扰性。惠斯通电桥能被用于检测质量流。例如，在"全"惠斯通电桥结构中，全 部四条支路均包括可变电阻器。在一种结构中，在每条支路中都使用电阻, 检测器，即4細电阻随着、鹏变化的电阻器。位于两侧之间的加热元件在该加 热元件周围产生大致均匀的热分布。例如，当空气从电桥的一侧传递到电挢的 另一侧时，热从"上游"侧被导向"下游"侧，从而^*叮上游侧并加热了下 游侧。由于两侧的电阻随着温度变化，所以两侧之间的最终纟驢差在两侧之间引起可测量的电压差。这一电压差与该^^差相关联。由于温度变化是空气质量
流率的函数，所以该电压差也与质量流率相关联。然而，特别就于非常高或非常低的流率，以前的全惠斯通电桥结构经常 也会引起低的信噪比。低信噪比降低了电桥测量结果的精度和分辨率膽造成 难以量化研究中的质量流率。因此，需要一种对高和/或低流率提供提高的灵敏度的系统、设备和减方 法，这些系统、设备和/或方法至少克服以前的系统和/或方法中的某些局限。发明内容下述概要被提供来促进理解只有所公开的实施例才有的一，'j新性特征， 并且该概要并不是全面的描述。对实施例M方面的全面理解可以通过将旨 说明书、木又利要求、附图和摘要作为整体^1^获得。因此，本发明的一个方面是提供一种3 的传感装置。 本发明的另一方面是提供一种具有提高的信噪比的传,。 本发明的又一方面是提供一种具有提高的量化质量流率的精度和分辨率的 传感器。上述各方面以及其它目标和优点现在可以如这里所描述的那样来实现。公 开了一种传感器设备，该传感器设备包括含有上游侧和下游侧的加热元件。第一热传感组(heating set)可被配置成邻近该加热元^牛的上游侧，并且第一热传 感组包括第一传感元件和第二传感元件，第一和第二传感元件被配置成蜿蜒的 叉指状图案。第二热传感组通常被配置成邻近该加热元件的下游侧，并且第二 热传感组包括第三传感元件和第四传感元件，第三和第四传感元件被KS成蜿 蜒的叉指状图案。
附图进一步图解说明了实;ffi例，并且附图与具体实施方式
一起用来解释这 里所公开的实施例，在这些附图中，贯穿独立的视图，相同的参考编号表示相 同或功能相似的元件，并且这些附图被并入以及形成说明书的部分。图l以框图示出了根据 实施例的叉指型、全惠斯通电桥流量传,设备；图2以简化电路图示出了根据 实施例的全惠斯通电称以及
图3示出了描绘根据雌实施例的用于感测质量流的方法的逻辑运算步骤的流程图。
具体实施方式
在这些非限制性实例中所讨论的特定值和结构可以改变并且仅被弓i用来图 解说明至少一个实施例，而不是意图限制其范围。图l示出了根据本发明的一个实施例的改进的传感设备。特别地，图l是示出传感系统的框图，该传感系统通常由参考编号100来表示。另外如下详细描述的那样，本发明考虑了以比市场上的现行装置的信噪比更大的信噪比来量 化质量流率的方式，并且考虑了量化质量流率的精度和^f,率方面的改进。特别地，在所示实施例中，传感系统100包括衬底102，传感系统的其它 部件被形皿该衬底102上。本领域技术人员可以理解，部分基于传感系统100 的其余部件的成分和其中应用传感系统100的环境，衬底102可以是招可适当 的衬底。例如，在其中传感系统应用于M计算机环境的实施例中，衬底102 可以是硅衬底并且可以包括其上形成一个或多个电路的较大晶片的部分。传感系统100包括加热元件104。在所示实施例中，加热元j牛104配置有 "上游"侧104a和"下游"侧104b。为了便于说明，所示实施例相对于通常 沿箭头方向、即"X"的质量流来描述。本领域技术人员可以理解，所示实施 例也运行来殿则和量化"X"的反方向上的质量流。因此，在此相对于"X" 方向上的质量流如此^^名和描^Jl游侧104a和下游侧104b。加热元件104通常 体上以及在上游侧104a和下游侧104b中的每侧中 被配置成蜿蜓的图案。在可替换的实施例中，力口热元件104可被配置成简化的、 单匝图案，该单匝图案包括在传感系统100的与Vcc Bl 116、地108、 Vcc H 106 和Vcc B2 126相对的侧上的单个180度匣。也就是说，实施例并非必须被配置 成如附图中所示的蜿蜓的图案。在所示实施例中，加热元件104可被隨刺各 所施加的电压转换成热，然后该热从加热元件104向夕卜辐射。因此，在一个实 施例中，加热元件104是加热电阻器。本领域技术人员将理解，也可以{顿其 它适合的加热元4牛。加热元件104可以逾过引线焊盘(wire bonding pad) Vcc H 106和地108 被耦合到电压源。在所示实施例中，Vcc H 106是被耦合到其它传统腿源的
弓践焊盘，并且可被配置来向加热元件104输送电压，以便从加热元件104辐 射出的热满足期望的热输出特征(output signature)。可替换地，加热元件104 可被配置来响应于供给Vcc H 106的固定i4E而以期望的输出特征辐射热。在 可替换的实施例中，加热元件104可被配置来响应于供给Vcc H 106的可变电 压而以多种热特征辐射热，供给该Vcc H 106的可变电压能响应于改变由传感 系统100所观糧的质量流特性来被操纵。本领域技术人员将理解，也可以《顿 其它配置。传感系统100还包括热传感组110。通常，热传感组110以蜿蜓的图案被 配置成邻近加热元件104的上游侧104a。 ^E^f示实施例中，热传感组110包括 以蜿蜒的图案与传感元件114相互交叉的传感元件112。传感元件112和114 是响应于局部温度变化而改变电阻的其它传统传感元件。在一个实施例中，传 感元件112和114是电阻温度检测器(RTD)。在可替换的实施例中，传感元 件112和114是热敏电阻。在所示实施例中，传感元件112和114是相同的RTD。 在可替换的实施例中，传感元件112和114可被配置有不同的额定值和/或热响 应曲线。本领域技术人员将理解，也可以fOT其它配置。传感系统100还包括热传感组120。通常，热传感组120以蜿蜒的图案被 配置成邻近加热元件104的下游侧104b。在所示实施例中，热传感组120包括 以蜿蜓的图案与传感元件124相互交叉的传感元件122。传感元件122和124 是响应于局部温度变化而改变电阻的其它传统传感元件。在一个实施例中，传 感元件122和124是电阻纟驢检测器(RTD)。在可替换的实施例中，传感元 件122和124是热敏电阻。在所示实施例中，传感元件122和124是相同的RTD。 在可替换的实施例中，传感元件122和124可被隨有不同的额定值和/或热响 应曲线。在另一可替换的实施例中，传感元件112、 114、 122和124都是相同 的RTD。本领域技术人员将理解，也可以4OT其它配置。传感元件U2、 114、 122和124—起被配置成全惠斯通电桥。ltW卜，传感 元件112、 114、 122和124中的*均包括惠斯通电桥的一条^^各。因此，传 感元件112通过输出块130被耦合到传感元件122。传感元件114也通过输出 块130被耦合到传感元件124。在所示实施例中，输出块130包括输出"A" 132和输出"B" 134。通常， 输出"A" 132和输出"B" 134提供由芯片上的质量流所产生的差分电压信号。
在所示实施例中，传感元件112通过弓战焊盘Vcc Bl 116被耦合到腿 源，而传感元件124通过弓l线焊盘VccB2126被耦合到腿源。VccB1116和 VccB2 126是其它传统的引线焊盘，这些弓l线焊盘被耦合到其它传统的电压源 并被配置来分别在传感元件112和122与传感元件124和114两端提供稳定的 电压。在一个实施例中，VccBl 116和VccB2126被ieg来提供相同的电压。 在可替换的实施例中，VccBl 116和VccB2 126被配置来提供不同的稳定电 压。在可替换的实施例中，VccBl 116和/或VccB2 126被|2§ 51传感系 统100响应于工作餅、控制信号和/或研究中的质量流率的变化而提供变化的 电压。本领域技术人员将理解，也可以{吏用其它,。另外，传感元件114和传感元件124还被耦合到地108。在所示实施例中， 加热元件104、热传感组110的传感元件114以及热传感组120的传感元件124 被耦合到公共地108。本领域技术人员将理解，加热元件104、热传感组110 和/或热传感组120中的一个或多个也可被耦合至必拉的地。在所示实施例中，传感系统100还包括多个热隔离势垒。通常，热隔离势 垒被配置来缓冲或##感系统100的一部分与来自传感系统100的另一部分的 热传输完全隔离。热隔离势垒可被配置为阳性势垒(positive banier)或阴性势 垒(negative barner)。通常，阳性势垒是由绝缘材料构成的热隔离势垒，而阴 性势垒是M31去除衬底102的一部分以防止跨越部件直接传导热而形成的热隔 离势垒。特别地，传感系统100包括热隔离势垒140，该热隔离势垒140 !^i入在 加热元件104的上游侧104a与下游侧104b之间。在所示实施例中，热隔离势 垒140是M31刻蚀衬底102形成的阴性势垒。祉游侧104a的对面，传感系 统100还包括热隔离势垒142，该热隔离势垒142被配置成邻近热传感组110。 在下游侧104b的对面，传感系统100还包括热隔离势垒144，该热隔离势垒144 被配置成邻近热传感组120。在所示实施例中，热隔离势垒142和144魏过 刻蚀衬底102形成的阴性势垒。传感系统100还包括热隔离势垒146，该热隔 离势垒146被插入在衬底102与热传感组110、加热元件104、热隔离势垒140 和热传感组120之间。在所示实施例中，热隔离势垒146 ^M31刻蚀衬底102 形成的阴性势垒。在可替换实施例中，热隔离势垒140、 142、 144和146全部 被形成为同一刻蚀的部分或从衬底102上去除材料，以粒热隔离并悬置热传
感组110和120以及加热元件104。通常，在工作中，传感系统100如下隨。向弓战焊盘VccH 106施加电 压源，该弓践焊盘VccH 106向加热元件104施加电压。加热元件104响应于 所施加的电压辐射热，从而产生^im称的热分布区域，该区i^人加热元件104 的上游侧104a和下游侧104b沿所有方向轴向扩展。向引线焊盘VccBl 116施加电压源，该弓战焊盘VccBl 116分别在热传 感组110和120的传感元件112和122两端施加电压。向弓战焊盘Vcc B2 126 施加电压源，该弓践焊盘Vcc B2 126分别在热传感组120和110的传感元件124 和114两端施加电压。输出引线焊盘"A" 132和输出弓践焊盘"B" 134 —起 提供差分电压信号。在一个实施例中，电阻是热传感组110和120两端的电压 变化的函数。本领i^术人员将理解，也可以4吏用其它配置。在传感系统100两端没有质量流的情况下，热传感组110和热传感组120 上的局部^it相同。因此，热传感组110和120的电阻以及热传感组110和120 两端的电压变化相同。如上所述，跨趣专感系统100的质量流在热传感组110 和120处产生局部 鹏差，并且因此，基本上相同的局部温度表示跨Mf专感系 统100没有质量流。在质量流过传感系统100的地方，诸如气态质量流，热传感组110和120 上的局部温度偏离。特别地，当质量流通常是沿"X"方向时，热从传感系统 100的上游侧移出并il51^流传输到传感系统100的下游侧。即，热传感组IIO 被7转卩，而热传感组120被加热。由于输出"A" 132和输出"B" 134被配置为连续测量并比较热传感组110 和120的电阻(和/或热传感组110和120两端的电压变化)，所以两，出一 起检测到跨越传感系统100的质量流的存在和速率。本领域技术人员应理解， 因为加热元件104提供恒定的热源，所以热传感组110和120之间的恒定的局 部^it差^^跨越传感系统100的恒定的质量流率。随^:质量流率变化，热传 感组110和120之间的局部^^差改变，并如上所述被量化。如上所述，热传感组110包括被配置成叉指状的蜿蜒的图案的传感元件112 和114。因此，传感元件112和传感元件114处的局漸鹏基本上相同。
的图案在单个传感元件两端提供一致的观懂结果。此外，叉指状结构增加了传 感元件之间的测量结果的一致性。因此，通过传感元件112和114得到的测量 结果的信噪比被提高。ltt外，由于传感元件122和124也被KS成叉指状的蜿 蜓的图案，所以通过传感元件122和124得到的测量结果的信噪比也被提高。 因此，传感系统100在整体上^J见出提高的测iM量流率的精度和可靠性。因此，通常，在一个实施例中，传感系统100在单个微芯片上在加热电阻 器的每一侧提供一组两个电阻 鹏检测器(RTD)。两组RTD分别相互交叉(或 混杂)成蜿蜓的结构，并一起考虑全惠斯通电樹专感结构。如此配置的传感系 统100提供了比现有技术的系统和方法具有更好的信噪比的 的质量流传感 器。为了说明上述示范性实施例中所实施的全惠斯通电桥结构的某些细节，现 参考图2。特别地，图2是图解说明惠斯通电桥的电路图，该惠斯通电桥通常 由参考编号200表示。电桥200包括被耦合到地208的电压源206。在所示实 施例中，电压源206对应于被耦合到图1的弓践焊盘VccBl 116和VccB2 126 的一个或两个电压源。电压源206耦合到第一支路212。在所示实施例中，第一支路212对应于 图1的传感元件112。电压源206滔禹合到第三支路224。在所示实施例中， 第三支路224对应于图1的传感元件124。第一支路212耦合到第二支路222和输出232。在所示实施例中，第二支 路222对应于传感元件122，并且输出232对应于图1的输出"A" 132。第三 支路224耦合到第四支路214和输出234。在所示实施例中，第四支路214对 应于传感元件114，并且输出234对应于图1的输出"B" 124。第二支路222 和第四支路214耦合到地208。本领域技术人员将理解，如此配置的电桥200作为全惠斯通电桥运行，该 电桥200可运行来检测和测量支路212、 214、 222和224两端的电阻和/或电压 的变化。特别地，在所示实施例中，输出232被配置来测量电压V1，而输出234 被配置来测量电压V2。如上所述，比较这两个电压育g够与局部温差相关联， 该局部温差又与电桥200两端的质量流斜目关联。图3示出了说明用于感测质量流的方法的逻辑运算步骤的流程图300。如 块305所示，过程开始，其中提供加热元件。该操作可以通过例如图1的加热 元件104来执行。如在下一±央310所示，提供第一热传感组。块310所示的该 操作可以M31例如图1的热传感组110来执行。如上所述，第一热传感组包括 至少两个蜿艇图案的叉指型传感元件。如此后在块5l5所述，提供第二热传感组。该操作可以M31例如图1的热 传感组120 ，行。如上所述，第二热传感组包括至少两个蜿蜓图案的叉指型传感元件。下面，如块320所示，质量流开始。如上所述，在这里的讨论中， 假定质量^ffi常沿从第一热传感组跨越加热元件到第二热传感组的方向发生。 例如，在一个实施例中，质量^il常沿如图l所示的"X"方向运动。如此后在块325所示，响应于由质量流引起的局誠鹏变化，检测第一热 传感组的电阻的变化。这一操作可以例如Mil图1的输出"A" 132来执行。 下面，如块330所述，响应于由质量流引起的局部^^变化，检测第二热传感 组的电阻的变化。块330所述的操作可以例如通过图1的输出"B" 134来执 行。本领域技术人员将理解，块325和330所示的操作可被修改为检测电压的 变化。如下面在块335所述，可以确定第一热传感组和第二热传感组之间的电压 差。块335所示的操作可以例如通过图1的输出"A" 132和输出"B" 134来 执行。此后，如在i央340所示，响应于如块335所述的那样确定的电隨来确 定质量流率。如上所述，本领域技术人员将理解，全惠斯通电挢的电压差与电 桥两端的^S差相关联，该 ，差又是质量流率的函数。该过程返回到块325所示的操作，以便，如鹏越加热元件与第一和第二 热传感组有质量流的话，则提供对该质量流率的连续监控、检测和测量。本领 士或技术人员将理解，质量流率可以波动，这包括零流率，并且上述配置可iE4亍来检测零流率。因此，实施例提供了一种用于改逝也观糧善质量流率的系统、设备和方法。 特别地，蜿蜓图案的叉指型传感元件提供提高的信噪比，并因此提供提高的感 观蝌测量质量流率的精度和可靠性。可以理解，，公开内容的变化和其它特点和功能或其替换方案可以期望 地被结合到多种其它不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可能作出的各 种目前无法预料的或者不曾预料至啲替换、修改、变化或改进也意图被包含在 所附的丰又利要求中。
权利要求
1. 一种传感器设备，其包括加热元件，该加热元件包括上游侧和下游侧；第一热传感组，该第一热传感组被配置成邻近加热元件的上游侧并包括第一传感元件和第二传感元件，该第一传感元件和第二传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案；以及第二热传感组，该第二热传感组被配置成邻近加热元件的下游侧并包括第三传感元件和第四传感元件，该第三传感元件和第四传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案，其中，第一热传感元件被耦合到第三热传感元件，以形成惠斯通电桥的一半，并且其中，第二热传感元件被耦合到第四热传感元件，以形成惠斯通电桥的另一半。
2、 权利要求l所述的设备，其中，加热元件包括加热电阻器。
3、 权利要求2所述的设备，其中，力口热电阻^l皮配置成蜿蜓的图案。
4、 权利要求1所述的设备，其中，第一传感元件、第二传感元件、第三 传感元件和第四传感元件中的至少一个是电阻纟驢检测器(RTO)。
5、 权利要求1所述的设备，还包括被配置成邻近第一热传感组和第二热 传感组的多个热隔离势垒。
6、 一种用于感测质量流的系统，其包括 被配置来耦合到微芯片的底部；加热元件，该加热元件被耦合到繊部并被配置成具有上游侧和下游侧的 蜿蜓的图案；第一热传感元件，该第一热传感元件被耦合到该底部并以蜿蜓的图案被配 置成邻近加热元件的上游侧，并进一步被配置为惠斯通电桥的第一支路；第二热传感元件，该第二热传感元件被耦合到 部并以蜿蜓的图案被配 置成与第一热传感元件相互交叉，并进一步被配置为惠斯通电桥的第二支路；第三热传感元{牛，该第三热传感元件被耦合至(Ji繊部并以蜿蜒的图案被配 置成邻近加热元件的下游侧，并进一步被配置为惠斯通电桥的第三支路；以及第四热传感元件，该第四热传感元件被耦合到该底部并被以蜿蜓的图案配置成与第三热传感元件相互交叉，并进一步被配置为惠斯通电桥的第四支路。
7、 权利要求6所述的系统，还包括被插入在第一热传感元件和第二热传感元件与底部之间的第一热隔离势 垒；以及被插入在第三热传感元件和第四热传感元件与底部之间的第二热隔离势垒。
8、 权利要求6戶万述的系统，还包括第一引线焊盘和第二引线焊盘，■ 一弓战焊盘被耦合到第一传感元件和第二传感元件并被配置来耦合到电压源， 以及该第二弓践焊盘被耦合到第三和第四传感元件并被配置来耦合到电压源。
9、 一种用于感测质量流的方法，其包括提供加热元件，该加热元件被隨成 的图案并包括上游侧和下游侧；提供第一热传感组，该第一热传感组与被配置为惠斯通电桥的第一半的加 热元件的上游侧相邻，并且该第一热传感组包括被配置成蜿蜒的叉指状图案的 第一热传感元件和第二热传感元件；提供第二热传感组，该第二热传感组与被配置为惠斯通电桥的第二半的加 热元件的下游侧相邻，并且该第二热传感组包括被配置成蜿蜒的叉指状图案的 第三热传感元件和第四热传感元件；舰第一热传感组测識一鹏M51第二热传感组测量第二 ，；以及响应于第一和第二 U^来确定质量流率。
10、 权利要求9所述的方法，还包括提供被配置成邻近第一和第二热传感 组的多个热隔离势垒。
全文摘要
一种传感器设备包括含有上游侧和下游侧的加热元件。第一热传感组通常被配置成邻近加热元件的上游侧并包括第一传感元件和第二传感元件，该第一传感元件和第二传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。第二热传感组可被配置成邻近加热元件的下游侧并包括第三传感元件和第四传感元件，该第三传感元件和第四传感元件被配置成蜿蜒的叉指状图案。
文档编号G01F1/684GK101213425SQ200780000021
公开日2008年7月2日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年3月1日
发明者A·M·德米特里夫, J·W·斯佩尔德里奇, W·T·基利安 申请人:霍尼韦尔国际公司